Кавітаційний реактор

Изобретение относится к устройствам для обработки жидких систем, растворов, диспергирования суспензий, эмульгирования эмульсий и гомогенизации смесей в гидродинамическом кавитационном поле с целью интенсификации технологических процессов и повышения качества продукции. Изобретение может быть использовано в химической, пищевой, целлюлозно-бумажной, нефтехимической промышленности, в промышленности производства строительных материалов, а также в энергетике и машиностроении, в парфюмерной промышленности, в производстве горючесмазочных материалов, фотоматериалов, заменителей цельного молока, крови, кремов, пищевых концентратов для приготовления суспензий, эмульсий и гомогенных смесей. Известен гидродинамический кавитационный реактор для размола волокнистой массы, состоящий из проточной камеры с установленными в ней кавитаторами, выполненными в виде усеченных конусов (1]. Недостатком этого гидродинамического кавитационного аппарата является недостаточная его эффективность, связанная с большой дисперсией распределения навигационных пузырьков и полостей по размерам при их отрыве от хвостовой части каверны и низкими энергетическими показателями при схлопывании крупных пузырей и полостей, а также обусловленной этим обстоятельством необходимостью многократнрй рециркуляции обрабатываемой жидкой среды и связанным с этим значительным расходом энергии. Известен также кавитационный реактор, содержащий проточную камеру с установленным внутри кавитатором и патрубком ввода реагирующего компонента [2]. Недостатком этого реактора является также малая его эффективность, обусловленная теми же причинами, что и у описанного выше, Наиболее близким к изобретению техническим решением по достигаемому эффекту является гидродинамический кавитационный реактор, содержащий цилиндрический корпус с патрубками подачи и отвода смеси и установленный в нем коаксиальный кавитатор, выполненный ввидеусеченного конуса [3]. Недостатком этого реактора является недостаточная эффективность и степень диспергирования компонентов, обусловленная наличием наряду с мелкими также малоэффективных крупных полостей, отрывающихся от хвостовой части каверны, отсутствием калибрования кавитационных пузырьков по размерам и отсутствием ударных волн, возникающих при сверхзвуковом течении жидкостно-пузырьковой смеси, В основу изобретения поставлена задача усовершенствования кавитационного реактора, путем введения в его конструкцию предвключенного кавитатора, установленного по ходу потока перед основным кавитатором и связанного с ним газодинамически, изменения формы выполнения основного кавитатора, образующего вместе корпусом кольцевые сопла Лаваля, благодаря чему не допускается отрыв от хвоста каверны малоэффективных крупных парогазовых полостей, происходит калибрование по размерам схлопывающихся кавитационных пузырьков и организация сверхзвуковых течений жидкостно-пузырьковой смеси в зазоре между корпусом и основным кавитатором с обусловленной этим процессом генерацией дополнительных ударных волн, усиливающих кумулятивный эффект от схлопывания кавитационных пузырьков, что ведет к повышению степени диспергирования реагентов, Поставленная задача решается тем, что кавитационный реактор, содержащий цилиндрический корпуc с патрубками подачи и отвода смеси и установленный в нем коаксиально кавитатор, выполненный в виде усеченного конуса согласно изобретению, снабжен предвключенным кавитатором установленным по ходу потока перед основным кавитатором, имеющим кроме конусной поверхности еще и цилиндрическую, причем на боковой цилиндрической поверхности основного кавитатора и на внутренней поверхности цилиндрического корпуса реактора выполнены кольцевые выточки, образующие кольцевые сопла Лаваля, при этом в теле основного кавитатора или в теле предвключенного кавитатора выполнены сообщающиеся центральный и наклонные по потоку радиальные каналы, выход из которых направлен в кольцевой зазор между кавитатором и корпусом непосредственно перед кольцевыми выточками, причем по оси реактора расположена центральная трубка, один конец которой соединен со входом радиальных каналов основного кавитатора, а другой конец соединен с торцом предвключенного кавитатора и имеет отверстия в боковых стенках, выполненные непосредственно у торца предвключенного кавитатора. По другому варианту радиальные каналы выполняются в теле предвключенного кавитатора, а в основном кавитаторе центральный канал выполнен сквозным, причем он соединен центральной трубкой с центральным каналом предвключенного кавитатора, соединенным с радиальными каналами. Отсос излишнего парогаза посредством трубки, соединяющей основной кавитатор с предвключенным, кавитатором, из полости каверны в зазор между предвключенным кавитатором и корпусом или между основным кавитатором и корпусом ведет к недопущению отрыва крупных полостей парогаза из хвоста каверны и дроблению парогаза и.калибрования размеров кавитационных пузырьков в радиальных каналов. А наличие кольцевых сопел Лаваля ведет к достижению» сверхзвуковых скоростей при течении жидкостнопузырьковой смеси через зазор между основным кавитатором и корпусом и генерации ударных волн в зазоре. На фиг, 1 изображена схема (продольный разрез) предлагаемого кавитационного реактора с отсосом парогаза из каверны, образующейся за основным кавитатором; на фиг, 2 - схема (продольный разрез) кавитационного реактора с отсосом парогаза из каверны, возникающей за предвключенным кавитатором. Кавитационный реактор состоит из цилиндрического корпуса 1, патрубков подачи 2 и отвода 3 обрабатываемой смеси, Патрубок отвода 3 снабжен диффузорной камерой, выполненной в виде расширяющегося конического раструба, Внутри корпуса 1 со-осно закреплены на фиксаторах 4 основной 5 и предвключенный 6 кавитаторы, выполненные в виде усеченных конусов и снабженные в центре каналами. Основной 5 и предвключенный 6 кавитаторы соединены между собой трубкой 7, снабженной регулировочным вентилем 8. Коническая поверхность основного кавитатора 5 по ходу потока переходит в цилиндрическую. На этой цилиндрической поверхности выполнены кольцевые выточки 9, которые совместно с выточками на стенках цилиндрической вставки 10 образуют кольцевые сопла Лаваля. Перечисленные конструктивные детали являются общими для обеих вариантов кавитационных реакторов. В одном случае радиальными каналами 11 снабжен предвключенный кавитатор 6, в другом такие каналы имеет основной кавитатор 5. Радиальные каналы 11 соединены с центральной трубой 7. В варианте б часть центральной трубки 7, расположенная непосредственно за предвключенным кавитатором 6 перфорированы отверстиями 12. Кавитационный реактор работает следующим образом. Поток обрабатываемой смеси под давлением со скоростью 3-5 м/с поступает через входной патрубок 2 в корпус 1, последовательно обтекая предвключенный 6 и основной 5 кавитаторы, При их обтекании за ними образуются кавитационные каверны 13 и 14. В варианте а расстояние L1 и степень загромождения предвключенного кавитатора 6, определяемая отношением d kD. выбираются небольшими, порядка: L1 = (5 + 6)D и dkD —0,65 + 0,70. В варианте б, наоборот, степень загромождения предвключенного кавитатора 6 увеличивается до dkD - 0,75 + 0,9, а расстояние L2 может быть значительно большим до (8 + 12)dK. Указанные рекомендации обусловлены отличительными особенностями действия реакторов по схеме 1 и II. В одном случае отсос парогаза производится из каверны 14, образующейся за основным кавитатором 5, При этом отсасываемый парогаз проходит по центральной трубке 7 через регулировочный вентиль 8 и поступает в радиальные каналы предвключенного кавитатора 6. Отсос пaрогаза обеспечивается действием "пульверизационного" эффекта, возникающего от кольцевой струи жидкости, омывающей предвключенный кавитатор 6. Для усиления подсасывающего действия кольцевой струи, омывающей предвключенный кавитатор 6, радиальным каналам 11 последнего придается наклон в сторону течения потока жидкости. Угол наклона каналов a=75°, При увеличении угла наклона подсасывающее действие струи может быть усилено только в том случае, если выход радиальных каналов будет прикрыт ракушкообразными козырьками, устраняющими удар стр уи о противоположный берег овального выдодного отверстия радиального канала. Небольшая сравнительно степень загромождения потока предвключенным кавитатором 6 в варианте а обеспечивает небольшое его кавитационное сопротивление, что наряду с минимальным расстоянием L1 гарантирует создание небольших перепадов давления между основным 5 и предвключенным 6 кавитаторами, что благоприятствуе т отсосу парогаза из каверны 14 основного кавитатора 5. Количество отсасываемого парогаза регулируется вентилем 8. Радиальные каналы 11 выполняют роль калибровочного устройства, обеспечивающего генерирование кавитационных пузырьков оптимальных для данного технологического процесса размеров. Процесс калибровки может быть регулируем и усовершенствован с помощью сменных вставных форсунок, 15. Кавитационные пузырьки, выходящие из радиальных каналов 11, подхватываются потоком жидкой среды, и образующая пузырьковая смесь поступает в серию последовательно расположенных по потоку кольцевых сопел Лаваля, образованных кольцевыми выточками 9, выполненными в цилиндрической части основного кавитатора 5 и на внутренней поверхности цилиндрической вставки 10. При течении пузырьковой смеси через сопла Лаваля возникает вторичная кавитация с образованием активных мелких пузырьков, а главное - возникает сверхзвуковое течение. Скорость звука в водовоздушной смеси может быть вычислена по формуле Вуда где Ρ - статическое давление в потоке пузырьковой смеси, равное при атмосферном давлении P1 =10000 кг/м 2, при разряжении 0,05 ата Р2 = 500 кг/м 2; r ж - плотность жидкости, для воды: r ж =1000/9,81= 100 кгс2/м 3м; j - истинное объемное воздухосодержание потока, j=0.5, Подставляя приведенные численные значения величин в формулу, получаем для атмосферного давления скорость звука Для возникновения ударных волн требуется, чтобы скорость движения среды превышала скорость звука в ней и число Ма ха было больше единицы. Указанные скорости течения пузырьковой смеси ν > 20 + 4,5 м/с в кольцевом зазоре между корпусом 10 и основным кавитатором 5 могут быть легко реализованы практически при сравнительно небольшом загромождении потока. При скорости во входном патрубке νвχ = 5 м/с потребуется для достижения ν= 20 м/с загромождение определяемое из соотношения неразрывности откуда Такое загромождение при наличии кольцевых выточек, образующи х сопла Лаваля, достаточно иметь лишь в сужениях сопел, что существенно снижает гидравлические сопротивления по сравнению с кольцевым зазором без выточек. Возникающие от сверхзвукового течения пузырьковой смеси ударные волны оказывают дополнительные диспергирующие и активизирующие воздействия на обрабатываемую среду. В варианте I описанные процессы протекают в основном идентично. Отличие состоит лишь в том, что отсос парогаза осуществляется не из каверны 14 за основным кавитатором 5, а из каверны 13, образующейся за предвключенным кавитатором 6. При этом парогаз из каверны 13 поступает через отверстия 12 в Центральную трубку 7 и далее через регулировочный вентиль 8 в центральный канал, но уже основного кавитатора 5. Из центрального канала основного кавитатора 5 парогаэ выходит через радиальные каналы непосредственно в кольцевой зазор с кольцевыми соплами Лаваля, Образуемый основным кавитатором 5 и вставкой корпуса 10. При компоновке по варианту И целесообразно увеличить степень загромождения у предвключенного кавитатора до dk/D=0,75 + 0,9 и расстояние L1 до (8 * 12) dk. Этим самым, наряду с размещением выхода радиальных каналов непосредственно вблизи сопел Лаваля, усиливается подсасывающее действие парогаза.